徐廣謙, 智秀娟, 仝其根

(北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院,北京 102206)

在食品和中草藥加工過程中，常將物料粉碎或攪拌均勻.由于水和空氣的存在，物料會出現(xiàn)不希望發(fā)生的現(xiàn)象.一方面，攪拌或粉碎液態(tài)物料時，高剪切力會將空氣卷入物料中，從而產(chǎn)生很多的小氣泡，對生產(chǎn)工藝提出更高的要求[1].另一方面，在攪拌或粉碎物料時，其與空氣的接觸面積大大增加，對于易氧化的物料來說，加劇了氧化程度[2].本文提出在粉碎或攪拌過程中將物料置于真空環(huán)境中，設(shè)計(jì)一款真空式攪拌-粉碎機(jī).

使用軟件Pro/E(Pro/Engineer wildfire 5.0)可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低成本.Pro/E直接采用三維設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)者能夠了解產(chǎn)品的每一個細(xì)節(jié)，并利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，使零件的設(shè)計(jì)、修改變得簡單易行[3].同時，還可以完成產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì).

1 整體設(shè)計(jì)

真空式攪拌-粉碎機(jī)由底座、立柱、下物料桶、上物料蓋、啟蓋機(jī)構(gòu)、刀桿、刀具、真空泵、電機(jī)等組成，用AutoCAD軟件繪制該機(jī)結(jié)構(gòu)圖[4]，見圖1.

2 工作原理

使用時，向上抬起搖臂12，齒扇8隨之逆轉(zhuǎn)，和其嚙合的齒輪7順時針轉(zhuǎn)動，齒輪6和齒輪7同軸固連，齒輪6也順時針轉(zhuǎn)動，齒條5向上移動，帶動固連其上的三角形支架3向上移動，電機(jī)和上物料蓋也向上移動.當(dāng)?shù)毒吒哂谙挛锪贤吧媳砻鏁r，可向下物料桶中加入原料.為便于操作，在底座中設(shè)計(jì)了定位槽，可將下物料桶從底座定位槽里取出加料.

圖1 真空式攪拌-粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of vacuum mixer/pulverizer

將加完料的下物料桶復(fù)位，放下?lián)u臂，上物料桶蓋和下物料桶用螺栓連接密封.打開真空泵，通過抽真空孔將物料桶里的空氣抽出.到預(yù)定真空度時，啟動電機(jī)9進(jìn)行攪拌-粉碎操作.攪拌-粉碎完成后，停止電機(jī)9，停止真空泵，打開進(jìn)氣閥，讓空氣從進(jìn)氣孔15進(jìn)入物料桶，等內(nèi)外壓強(qiáng)一致時，方可打開上、下物料桶之間的螺栓進(jìn)行開蓋、卸料操作.

3 主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 底座

底座要有一定的重量，以防電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時震動和偏移，采用鑄鐵件.底座上開圓形凹槽，用來定位下物料桶.使用Pro/E為設(shè)計(jì)工具[5]，繪制底座的結(jié)構(gòu)圖，如圖2.

3.2 立柱與橫梁

立柱在上物料桶啟閉過程中要有導(dǎo)向作用，對導(dǎo)向面的光潔度要求高，并考慮要承載電機(jī)和上物料蓋的重量，采用合金鋼，如圖3.

圖2 底座結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of base

圖3 立柱和橫梁結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of vertical pole and crossbeam

3.3 下物料桶

下物料桶和上物料桶用來盛放物料，與物料直接接觸，采用食品級不銹鋼，在二者結(jié)合面上開凹槽，放置密封圈.

初定本設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中使用，取下物料桶容積為V=5 L.為便于操作和造型美觀，將其輪廓設(shè)計(jì)為拋物線.考慮計(jì)算方便，用圓臺模型代替，如圖4.設(shè)上口內(nèi)徑為D，下底內(nèi)徑為d，取=0.8，取桶高h(yuǎn)=1.4D.

圖4 下物料桶結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of material barrel

D=177 mm，d=141.6 mm，h=247.8 mm，圓整后，取D=180 mm，d=150 mm，h=250 mm.

因密封時需要將其壓緊，要有一定的強(qiáng)度和剛度.故厚度取δ=2 mm.

3.4 啟蓋機(jī)構(gòu)

啟蓋機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)[6]，如圖5.

圖5 啟蓋機(jī)構(gòu)原理示意Fig.5 Principle scheme of cover opening mechanism

下物料桶h=250 mm，為使下物料桶能取出，并考慮刀具的影響，上蓋的行程s≥300 mm.考慮人手臂的運(yùn)動范圍[7]，取搖臂手柄處的運(yùn)動距離為400 mm，搖臂長度l=450 mm，則搖臂的擺動角度θ=

取齒數(shù)比則手柄運(yùn)動時，齒條運(yùn)動位移用計(jì)算，求得d≥I286.4 mm.取齒輪模數(shù)為m=1.5，齒數(shù)zI=200，則dI=mz=300 mm.考慮齒輪Ⅰ是固連在搖臂上并隨之運(yùn)動的，搖臂只在一定角度范圍內(nèi)擺動，所以將齒輪Ⅰ設(shè)計(jì)成齒扇，取齒扇角120°，則齒輪I的實(shí)際齒數(shù)為圓整后取zⅠ=68.

綜上可以確定其他齒輪的參數(shù)，見表1.

表1 齒輪參數(shù)Tab.1 Parameters of gears

3.5 刀具和刀桿

刀具和刀桿的連接必須可靠，并便于拆卸.通過更換不同的刀具，不僅可以加工不同的物料，而且可以實(shí)現(xiàn)攪拌和粉碎功能的轉(zhuǎn)換，使得本設(shè)備有良好的通用性[8].刀具和刀桿的連接方式如圖6.

圖6 刀桿的連接方式Fig.6 Connection mode of cutter arbor

4 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)尺寸(長×寬×高):450 mm×500 mm×1 150 mm.單次最大裝料量:4 L.電動機(jī):選用Y型全封閉鼠籠型三相異步電動機(jī)[9]，型號Y132S1-2，功率4 kW.真空泵:選用WLW系列無油立式真空泵[10]，型號 WLW-50B，抽氣速率 180 m3/h，極限壓力2.0 kPa.

5 結(jié)論與展望

1)三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E可大大提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度，明顯提高企業(yè)的生產(chǎn)率和競爭力.隨著計(jì)算機(jī)和先進(jìn)制造技術(shù)的高速發(fā)展，已經(jīng)可以直接實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)和加工制造，使得三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造的核心內(nèi)容.2)將攪拌或粉碎過程中易起泡或易氧化的物料置于一定真空度下，可有效改善物料的起泡和氧化現(xiàn)象.

本設(shè)計(jì)需要完善和改進(jìn)的地方有:1)增加搖臂的鎖定機(jī)構(gòu).設(shè)計(jì)棘輪機(jī)構(gòu)，使電機(jī)和上物料桶可停留在任何位置，以使裝卸料時操作者不必一直抬著搖臂，同時可避免操作者在啟蓋時萬一沒抓住手柄造成刀具撞擊底座事故發(fā)生.2)控制電路[11].設(shè)計(jì)一個控制電路，以達(dá)到先啟動真空泵電機(jī)，到預(yù)定真空度時再啟動粉碎機(jī)的電機(jī)的目的，以簡化操作.3)電機(jī)與上物料桶之間的連接和密封結(jié)構(gòu)[12].因刀桿較長，如對心不好則在旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生很大的擺動，會造成整機(jī)的震動和噪聲，所以電機(jī)主軸和刀桿的連接結(jié)構(gòu)需認(rèn)真設(shè)計(jì).刀桿和上物料桶的密封結(jié)構(gòu)位于物料桶的上面，因加工的物料是食品或藥品，為避免污染不能使用傳統(tǒng)的油(或脂)潤滑和密封結(jié)構(gòu)，所以密封結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì).

需進(jìn)一步研究的內(nèi)容:在主體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做出樣品，小試，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率對攪拌-粉碎效果的影響;設(shè)計(jì)適用于不同場合的刀具結(jié)構(gòu);將本設(shè)計(jì)定型、產(chǎn)品化、系列化.

[1] 孫月娜.食品用消泡劑[J].食品科學(xué)，1983(10):35-38.

[2] 肖遠(yuǎn)金.推介幾種農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械[J].農(nóng)村新技術(shù)，2003(1):1819.

[3] 肖念新，康維民，文赫巖，等.基于Pro/E螺旋榨汁機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(11):138140.

[4] 李長林.中文版AutoCAD 2006完全學(xué)習(xí)手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005:51114.

[5] 林清安.Pro/ENGINEER Wildfire零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇[M].北京:中國鐵道出版社，2004:187335.

[6] 楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].5版.北京:高等教育出版社，2006:7280.

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[12] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:149 -152.